銅熔煉爐溫度測控系統應用技術的研究①

呂有忠

(云南工商學院信息與工程學院)

銅熔煉爐溫度測控系統應用技術的研究①

呂有忠

(云南工商學院信息與工程學院)

介紹銅熔煉爐的工藝特點，給出銅熔煉爐溫度測控系統的總體方案、儀表設備的選型與系統功能的實現方法。最后結合工程應用實踐，總結了儀表設備選型、安裝固定和系統設計方面的經驗。

溫度測控系統 銅熔煉爐 儀表選型 PLC

銅熔煉爐爐體和熔池的溫度測控對于掌握整個銅熔煉爐工藝狀況具有極其重要的意義。然而，爐體和熔池測溫系統存在設計不完善、準確度不高、易損壞及更換困難等問題，嚴重影響工藝操作的準確度和生產的連續性。另外，由于熔體溫度高，且受到熔體運動機械沖刷、侵蝕等影響[1]，導致高溫熔體連續測溫成為銅冶煉行業的難題。為此，筆者設計了一個銅熔煉爐溫度測控系統，通過適當的儀表選型與功能設計，實現高準確度、高可靠性的溫度測量。

1 銅熔煉爐工藝

銅熔煉爐工藝要求測溫系統連續、精度高，測溫儀表抗腐蝕、抗氧化，因此在構建測溫系統時，對儀表選型、數據采集等環節，特別是熱電偶保護管的材料選擇和安裝方式需認真比較分析。

銅熔煉爐工藝按溫度檢測部位一般分為3類：銅水套冷卻循環水溫度檢測與報警；爐體升溫過程測溫；熔池、其他相關設備和管道介質的實時溫度測量[2]。

1.1 爐體升溫過程測溫

為了掌握大型銅熔煉爐開爐升溫過程中的溫度變化情況，實時調整烘爐加熱過程，滿足特定耐火磚對升溫過程的技術要求，對爐體設置了大量溫度檢測點；將測得的爐墻各部位實時溫度通過傳感器以電信號形式送入計算機測控系統，構成分布式溫度檢測系統，并隨時能在上位機測控畫面中查看所有測點溫度。

爐體升溫檢測儀表采用鎧裝升溫熱電偶，共14只，測量范圍0～1 000℃，砌爐時敷設于爐體5個不同高度平面內，用于測量爐墻溫度。

1.2 熔煉過程爐墻與熔池測溫

銅熔煉爐正常熔煉過程中，爐體熔池測溫主要用于檢測爐內熔池金屬溶體溫度，實現熔煉過程爐內化學反應狀態的判斷和熔池溫度的調節，為工藝控制提供最直接的依據。目前，爐內熔池檢測環境復雜、沖刷、易腐蝕、不宜更換設備是主要的測溫難題。

在測溫系統設計過程中，沿爐體在熔煉段兩個不同高度上各均衡分布3個檢測點(共6只特殊熱電偶)，輸出的電信號進入計算機測控系統，實現熔池溫度的檢測。具體測點說明見表1。

表1 熔池、爐頂、爐墻熱電偶測點說明

2 溫度測控系統總體方案

銅熔煉爐溫度測控系統(圖1)由計算機測控系統、溫度檢測儀表和數據采集模塊3部分構成。計算機測控系統通過數據采集模塊采集溫度數據，采用數據庫或OPC服務器與數據采集模塊進行數據連接。

溫度檢測儀表采用鎧裝熱電偶、裝配式熱電偶與鉑熱電阻。數據采集采用PLC的I/O模塊實現，模擬值采集采用SM331模塊實現，通過量程卡設定測量信號類型和測量范圍[3]；同時，PLC可執行程序實現相應的PID控制功能。上位機采用專門的溫度測控系統軟件、工控組態軟件或DCS系統來實現溫度數據的存儲、查詢、畫面顯示、報警、趨勢分析及控制等功能。PLC控制器與上位機系統之間通過工業以太網實現通信。

圖1 銅熔煉爐溫度測控系統示意圖

3 儀表設備選型

根據工藝要求，測溫點均分布于銅熔煉爐內，屬于典型的有色冶煉工業環境，因此要求測溫儀表需具備以下要求：

a. 要求連續檢測，不允許間斷測量，并可遠傳至計算機控制系統；

b. 要求在計算機系統人機界面上，操作人員可以使用6支熔池熱電偶中的任意一支來顯示熔池溫度，并將該溫度值作為溶體溫度控制操作的主要依據傳輸到排放層的熔池溫度顯示器上；

c. 要求熔池熱電偶保護管耐機械沖刷與侵蝕，能在氧化、還原氣氛中使用，抗熱、抗振性能高；

d. 要求銅熔煉爐工藝測溫儀表測量準確，可用于工藝自動化聯鎖控制；

e. 要求測溫儀表使用壽命長，重要檢測點處的儀表更換方便，至少滿足一個爐期的正常使用。

3.1 升溫熱電偶

結合工業環境特點與工藝要求，升溫部分采用鎧裝熱電偶，熱電偶插入長度為5m(根據爐體圓周長確定)，在砌爐過程中埋入相應位置，引出引線。由于升溫過程爐磚溫度不高于900℃且無強烈振動，與金屬溶液不接觸，所以該儀表不需要固定。綜合分析后，采用鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶(K分度，工作端直徑φ3mm)。

3.2 熔池和爐頂熱電偶

熔池和爐頂熱電偶采用N分度。為了適應機械沖刷、侵蝕、高溫、腐蝕、氧化還原氣氛，對比了5種冶煉行業常用的保護管材料，具體見表2?？梢钥闯?，熔池和爐頂熱電偶的保護套管宜選擇金屬陶瓷LT1，該材料能很好地適應銅熔煉爐工業環境。綜合分析后，采用GPC-T-6-N熱電偶。

表2 5種保護管材料的對比

3.3 工作熱電偶

工作熱電偶主要用于檢測熔煉過程中爐墻中部和爐底的侵蝕程度，在砌爐時埋入相應位置，檢測信號送入上位機系統用于檢測報警。由于工作熱電偶埋入爐墻內部不與金屬溶液接觸，且溫度低于1 000℃，因此其測溫范圍在0～1 000℃即可滿足要求，同時儀表要求具有抗熱振性。綜合分析后，采用inconel600材料的K型鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶(帶法蘭安裝)，其使用溫度可達1 000℃以上，具有較好的化學穩定性、抗腐蝕性和抗氧化性[5]。

3.4 冷卻水套測溫儀表

冷卻水套測溫儀表主要用于檢測冷卻水套管出口回水溫度，測溫范圍0～100℃，傳感器要求防水防塵，無其他特殊要求，因此選用鉑熱電阻Pt100，防護等級IP65。

4 溫度測控系統功能實現

根據銅熔煉爐溫度測控系統方案，選用遠程I/O模塊實現對現場溫度數據的采集，控制器選擇S7-300 PLC實現數據儲存、編程、控制及通信等功能，上位機SCADA系統采用組態王6.55實現測控畫面的設計和運行。

4.1 組態王與S7-300 PLC之間的通信

組態王與S7-300 PLC之間的通信可以通過兩種方法實現：采用組態王提供的驅動程序實現；采用OPC與組態王之間的通信實現。當采用第1種方法時，在組態過程中，通過組態王的設備添加向導定義外部設備為PLC[6]，并選擇S7-300系列TCP；硬件選擇S7-300 PLC上擴展的CP343-1以太網模塊，在計算機上使用CP1613以太網卡，PLC和計算機之間通過以太網進行連接。

4.2 測控系統的功能

在上位機中，銅熔煉爐溫度測控系統的功能是：負責溫度數據的采集、記錄、保存、查詢、顯示、處理和設定，對需要報警的溫度值實現越限報警，如冷卻水套回水溫度高報警；爐體升溫過程爐溫運行曲線與趨勢畫面的顯示；利用聯鎖配料配方程序和皮帶輸送機控制程序，實現對爐體升溫過程磚溫、爐體運行狀態下磚溫、熔池金屬溶體、爐頂煙氣溫度和冷卻水套回水溫度的測控。

5 經驗總結

在有色金屬冶煉行業中，銅熔煉爐溫度檢測作為工藝過程監控的一部分，其應用技術的研究至關重要。在此，筆者總結了幾點經驗：

a. 在儀表設備選型方面，應當詳細分析現場工業環境對儀表設備的各種影響，選擇合適的測溫儀表。在本工程案例中，爐體升溫熱電偶應用環境較好，采用普通K分度鎧裝熱電偶即可滿足使用要求，而且國內各主要儀表生產商均能提供，采購價格不高，渠道多。相比之下，熔池和爐頂煙氣溫度熱電偶使用環境復雜、溫度高，不但需要考慮儀表的抗熱振性和耐沖刷性，還要考慮熔池內化學反應氧化還原氣氛對保護管的腐蝕性。

b. 熱電偶與熱電阻一般有螺紋連接、法蘭連接及焊接等安裝形式，同時需要考慮測量端的插入深度等情況，這在系統設計時應加以明確。如熔池熱電偶，考慮到實際應用中更換和維護的方便性，宜采用法蘭卡套安裝形式。

c. 銅熔煉爐溫度測控系統應本著分散與集中相結合、經濟適用、穩定可靠的設計原則，結合實際使用情況進行構建。在本系統中，采用技術成熟可靠的西門子PLC系統作為下位機實現數據采集與控制，下掛遠程I/O單元；上位機系統選擇符合國內操作習慣、應用廣泛、設計靈活的組態王軟件，其性價比遠高于國外組態軟件。

6 結束語

銅熔煉爐溫度測控系統運行情況表明，系統測溫環節可靠，數據穩定準確，現場維護量少。系統構成簡潔，上位機畫面豐富，設計修改方便，操作工使用方便，數據儲存調用可靠。該系統從方案設計到實施過程密切跟隨工藝要求、認真分析應用環境，具體項目具體研究，無論從技術角度還是經濟方面都體現出一定的優越性，在同行業測溫應用中具有一定的參考價值。

[1] 劉玉長.自動檢測和過程控制[M].北京:冶金工業出版社,2010:40～45.

[2] 李明照,許并社.銅冶煉工藝[M].北京:化學工業出版社,2012:115～121.

[3] 秦益霖.西門子S7-300 PLC應用技術[M].北京:電子工業出版社,2012:122～126.

[4] 王國權,孫傳賢.金屬陶瓷熱電偶護管的使用[J].化工自動化及儀表,1985,12(2):43～44.

[5] 李葉,梁庭,王凱,等.基于高溫環境下高絕緣高響應性鎧裝熱電偶的研究[J].化工自動化及儀表,2012,39(3):335～338.

[6] 熊偉.工控組態軟件及應用[M].北京:中國電力出版社,2012:22～26.

呂有忠(1975-)，高級工程師，從事電力系統分析、電氣自動化技術、冶煉工藝控制技術的應用研究，106798247@qq.com。

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1000-3932(2017)03-0309-03

2016-10-30，

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